#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>


#define TRUE 1
#define FALSE 0
#define INVALID -1


#define  total_instruction 320     /*指令流长*/
#define  total_vp  32               /*虚页长*/
#define  clear_period  50           /*清0周期*/

typedef struct                      /*页面结构*/
{
	int pn;      //页号 logic number
	int pfn;     //页面框架号 physical frame number
	int counter; //计数器
	int time;    //时间
}pl_type;

pl_type pl[total_vp];                      /*页面线性结构---指令序列需要使用地址*/

typedef struct pfc_struct                  /*页面控制结构，调度算法的控制结构*/
{                          
    int pn;
	int pfn;
	struct pfc_struct *next;
}pfc_type;


pfc_type pfc[total_vp], *freepf_head, *busypf_head, *busypf_tail;

int diseffect,  a[total_instruction]; /* a[]为指令序列*/

int page[total_instruction],  offset[total_instruction];/*地址信息*/

int  initialize(int);
int  FIFO(int);
int  LRU(int);
int  LFU(int);
int  NUR(int); //not use recently
int  OPT(int);

int main( )
{
	int s,i,j;

	srand(10*getpid());                    /*由于每次运行时进程号不同，故可用来作为初始化随机数队列的“种子”*/

	s=(float)319*rand( )/32767/32767/2+1;  /*正态分布*/

	for(i=0;i<total_instruction;i+=4)        /*产生指令队列*/
	{
		if(s<0||s>319)
		{
			printf("When i==%d,Error,s==%d\n",i,s);
			exit(0);
		} 
		a[i]=s;                                   /*任选一指令访问点m*/
		a[i+1]=a[i]+1;                            /*顺序执行一条指令*/
		a[i+2]=(float)a[i]*rand( )/32767/32767/2; /*执行前地址指令m*/
		a[i+3]=a[i+2]+1;                          /*顺序执行一条指令*/

		s=(float)(318-a[i+2])*rand( )/32767/32767/2+a[i+2]+2;
		if((a[i+2]>318)||(s>319))

			printf("a[%d+2],a number which is :%d and s==%d\n",i,a[i+2],s);

	}
	for (i=0;i<total_instruction;i++) /*将指令序列变换成页地址流*/
	{
		page[i]=a[i]/10;
		offset[i]=a[i]%10;
	}
	for(i=4;i<=32;i++)   /*用户内存工作区从4个页面到32个页面*/
	{
		printf("---%2d page frames---\n",i);
		FIFO(i);
		LRU(i);
		LFU(i);
		NUR(i);
		OPT(i);

	}
	return 0;
}

/*初始化相关数据结构 total_pf表示内存的块数 */

int initialize(int total_pf)             
{
	int i;
	diseffect=0;
	for(i=0;i<total_vp;i++)
	{

		pl[i].pfn=INVALID;       /*置页面控制结构中的页号，页面为空*/
		pl[i].counter=0;         /*页面控制结构中的访问次数为0*/
		pl[i].time=-1;           /*访问的时间*/
	}

	for(i=0;i<total_pf-1;i++)	/*建立pfc[i-1]和pfc[i]之间的链接*/
	{	
		pfc[i].next=&pfc[i+1];
		pfc[i].pfn=i;
	}   

	pfc[total_pf-1].next=NULL;
	pfc[total_pf-1].pfn=total_pf-1;
	freepf_head=&pfc[0];         /*空页面队列的头指针为pfc[0]*/
	return 0;
}

int FIFO(int total_pf)              /*先进先出算法total_pf:用户进程的内存页面数*/
{
	int i,j;
	pfc_type *p;					/*中间变量*/
	initialize(total_pf);         /*初始化相关页面控制用数据结构*/
	busypf_head=busypf_tail=NULL; /*忙页面队列头，队列尾链接*/
	for(i=0;i<total_instruction;i++)
	{
		if(pl[page[i]].pfn==INVALID)   /*页面失效*/
		{
			diseffect+=1;                  /*失效次数*/
			if(freepf_head==NULL)         /*无空闲页面*/
			{
				p=busypf_head->next;       
				pl[busypf_head->pn].pfn=INVALID;
				freepf_head=busypf_head;  /*释放忙页面队列的第一个页面*/
				freepf_head->next=NULL;  /*表明还是缺页*/
				busypf_head=p;
			}
			p=freepf_head->next;        
			freepf_head->pn=page[i];
			pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;
			freepf_head->next=NULL; /*使busy的尾为null*/
			if(busypf_tail==NULL)
			{
				busypf_tail=busypf_head=freepf_head;
			}
			else
			{
				busypf_tail->next=freepf_head;
				busypf_tail=freepf_head;
			}
			freepf_head=p;
		}
	}
	printf("FIFO:%6.4f\n",1-(float)diseffect/320);
	return 0;
}

int LRU (int total_pf)       /*最近最久未使用算法least recently used*/
{
	int min,minj,i,j,present_time; /*minj为最小值下标*/
	initialize(total_pf);
	present_time=0;
	for(i=0;i<total_instruction;i++)
	{
		if(pl[page[i]].pfn==INVALID)             /*页面失效*/
		{
			diseffect++;
			if(freepf_head==NULL)              /*无空闲页面*/
			{
				min=32767;						/*设置最大值*/
				for(j=0;j<total_vp;j++)            /*找出time的最小值*/
				{ 
					if(min>pl[j].time&&pl[j].pfn!=INVALID)
					{
						min=pl[j].time;
						minj=j;
					}
				}
				freepf_head=&pfc[pl[minj].pfn];   //腾出一个单元
				pl[minj].pfn=INVALID;
				pl[minj].time=0;
				freepf_head->next=NULL;
			}
			pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;   //有空闲页面,改为有效
			pl[page[i]].time=present_time;
			freepf_head=freepf_head->next;      //减少一个free 页面
		}
		else
		{
			pl[page[i]].time=present_time;        //命中则增加该单元的访问次数
			present_time++;
		}
	}
	printf("LRU:%6.4f\n",1-(float)diseffect/320);
	return 0;
}

int NUR(int  total_pf )                  /*最近未使用算法Not Used recently count表示*/
{ 
int i,j,dp,cont_flag,old_dp;
pfc_type *t;
initialize(total_pf);
dp=0;

for(i=0;i<total_instruction;i++)
{ 
	if (pl[page[i]].pfn==INVALID)         /*页面失效*/
	{
		diseffect++;
		if(freepf_head==NULL)               /*无空闲页面*/
		{ 
			cont_flag=TRUE;
			old_dp=dp;
			
			while(cont_flag)
			{
				
			   if(pl[dp].counter==0&&pl[dp].pfn!=INVALID)
					cont_flag=FALSE;
				else
				{
					dp++;
					if(dp==total_vp)
						dp=0;
					if(dp==old_dp)
						for(j=0;j<total_vp;j++)
						 pl[j].counter=0;
				}
			}
			freepf_head=&pfc[pl[dp].pfn];
			pl[dp].pfn=INVALID;
			freepf_head->next=NULL;
		}
		
		pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;
		
		freepf_head->pn=page[i];
		
		freepf_head=freepf_head->next;
	}
	else
		pl[page[i]].counter=1;
	if(i%clear_period==0)
		for(j=0;j<total_vp;j++)
			pl[j].counter=0;
}
printf("NUR:%6.4f\n",1-(float)diseffect/320);
return 0;
}

int OPT(int total_pf)       /*最佳置换算法*/
{
	int i,j, max,maxpage,d,dist[total_vp];
	pfc_type *t;
	initialize(total_pf);
	for(i=0;i<total_instruction;i++)
	{ 
		if(pl[page[i]].pfn==INVALID)      /*页面失效*/
		{
			diseffect++;
			if(freepf_head==NULL)         /*无空闲页面*/
			{
				for(j=0;j<total_vp;j++)
				{
					if(pl[j].pfn!=INVALID)
						dist[j]=32767;
					else
						dist[j]=0;	 
				}
				for(j=0;j<total_vp;j++)	       
				{
					if((pl[j].pfn!=INVALID)&&(dist[j]==32767))
					{
						dist[j]=j;
					}
				}
				max=0;
				for(j=0;j<total_vp;j++)
					if(max<dist[j])
					{
						max=dist[j];
						maxpage=j;
					}
					freepf_head=&pfc[pl[maxpage].pfn];
					freepf_head->next=NULL;
					pl[maxpage].pfn=INVALID;
			}
			pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;
			freepf_head=freepf_head->next;
		}
	}
	printf("OPT:%6.4f\n",1-(float)diseffect/320);
	return 0;
}
/*该算法时根据已知的预测未知的，least frequency  Used是最不经常使用置换法*/
int  LFU(int total_pf)        
{
	int i,j,min,minpage;
	pfc_type *t;
	initialize(total_pf);
	for(i=0;i<total_instruction;i++)
	{ 
		if(pl[page[i]].pfn==INVALID)      /*页面失效*/
		{ 
			diseffect++;
			if(freepf_head==NULL)          /*无空闲页面*/
			{ 
				min=32767;	
				/*获取counter的使用用频率最小的内存*/	
				for(j=0;j<total_vp;j++)
				{
					if(min>pl[j].counter&&pl[j].pfn!=INVALID)
					{
						min=pl[j].counter;
						minpage=j;
					}
				}
				freepf_head=&pfc[pl[minpage].pfn];
				pl[minpage].pfn=INVALID;
				pl[minpage].counter=0;
				freepf_head->next=NULL;
			}
			pl[page[i]].pfn=freepf_head->pfn;   //有空闲页面,改为有效
			pl[page[i]].counter++;
			freepf_head=freepf_head->next;      //减少一个free 页面
		}
		else
		{
			pl[page[i]].counter;
			pl[page[i]].counter=pl[page[i]].counter+1;
		}
	}
	printf("LFU:%6.4f\n",1-(float)diseffect/320);
	return 0;
}